无人机低空摄影测量在大比例尺测图中的应用

原中华

摘 要：随着城市发展的需要，城市大比例尺地形图每隔三到五年就要进行更新，传统测量方法费时费力，成本高，已无法完全满足地形图更新周期的需求。近些年无人机技术发展日趋成熟，且成本较低，各种配套软件硬件也日益完善，无人机低空摄影平台配合GPS测量系统，进行较小面积的大比例尺地形图测绘，精度满足要求，且成本低廉，技术门槛较低，又能大大提高工作效率，是当前许多测绘公司进行技术革新的重要参考方向。

关键词：无人机;摄影测量;大比例尺测图

1 无人机低空摄影测量的特点及发展现状

1.1 无人机摄影测量技术特点

无人机相对于其他大型航空航天测量平台具有机动灵活、飞行成本低、损耗小、低风险等特点。其飞行高度较低，一般在50-1000米，受云层遮挡较小，可在有云天气飞行。小型无人机重量只有几公斤，携带方便，机动灵活，对于面积较小的大比例尺地形图测绘，采用大飞机进行摄影测量，成本高，受天气及空管限制较多，而采用全野外数据采集成图的方法则周期长成本高，无人机具有经济灵活快速的优势。无人机操作简单，技术门槛较低，普通人经较短时间的培训就可掌握，对起降场地要求较低。无人机低空摄影属于近景摄影测量，摄影测量精度范围通常在0.1-0.5m，符合1：1000的测图要求，能够满足城市建设对于地形图的需要。

1.2 无人机摄影测量在我国的发展现状

随着计算机技术与通信技术的快速发展，摄影设备及存储设备的功能也不断增强，以及各种新型传感器的出现，使无人机摄影技术得到强有力的技术支撑，无人机的测图能力得到快速提升，凭借其独特的技术与性能优势，在现代化测绘中得到快速发展，实际应用已经相当广泛，应用前景非常广阔。

当前，大比例尺地形图数据采集的方式主要有全站仪、RTK，数字化测图技术在我国的应用已经比较成熟，大多数测绘单位的数字化测图生产模式已经成型，传统的地形图生产模式已难以满足城市快速发展的需要，现代化建设随之而来的是各种不同的需求，计算机技术和测绘仪器不断更新，无人机摄影测量应运而生。目前多家单位在无人机低空摄影测量方面进行了大量探索与研究，并取得了较为丰硕的成果，积累了一定的经验，大疆无人机的产品已享誉国内外，南方测绘拥有较为完备的软硬件系统，无人机摄影测量得到了许多测绘单位的青睐，并正在以较快的速度进行普及。

2 无人机低空摄影测量的工作原理及流程

2.1 飞行前准备

确定航摄方案之前应对测区进行实地踏勘，调查测区的地形地貌及植被情况，飞行空域情况，为之后确定航线及布设地面控制点提供参考信息;对无人机的各项性能参数进行详细研究，如续航时间、极限航高、摄影设备参数、存储器容量等进行了解及检查，结合测区实际情况制定航摄方案。

2.2 制定航摄方案

首先搜集测区已有地形图资料，作为航摄设计用图，根据成图比例尺以及成图目的、测区具体条件确定航摄比例尺，航空摄影时，应根据无人机型号、成图比例尺及成图精度等划分合理的航摄分区，根据航摄分区确定航线敷设方法。作业前，应选择晴天，大气透明度好的时间段。编写技术设计书应根据技术设计要求确定分区、航线、重叠度等参数，软硬件设备的选择应能满足项目需求

2.3 航摄实施

起飞之前，应对系统设备的工作状态进行仔细检查，组织无人机操作人员对航线设计、注意事项及技术规范等进行讲评，严格按照操作规范进行，飞行时应保持航高，飞行平稳，并实时关注飞机飞行状态。飞行质量主要包括旋偏角、倾角和重叠度，由于无人机一般体积小重量轻，容易受到风力影响，且操作人员的技术水平也直接影响飞行的稳定性，针对此类问题，主要通过以下途径进行消除或减弱：

2.3.1 改进硬件，如使用性能更好的无人机及摄影设备，加装补偿器

2.3.2 规范操作，制定完善的切实可行的技术方案，对操作人员进行系统培训，熟练掌握飞行技巧，飞行过程严格遵循操作规程

2.3.3 后期技术处理，利用专业软件对图像进行纠正，合理布置控制点。

2.3.4 控制点布设

地面控制点是摄影测量空三加密和制图的基础，控制点的布设位置和测量精度直接影响成图的质量。可借助已有地形图资料及谷歌地图等选择地面控制点。控制点坐标的获取可配合城市网络RTK或单基站RTK进行测量。控制点的布设应综合考虑成本以及成图精度的指标，全野外控制点精度高但费时费力，在满足成果精度的前提下可适当选取非野外控制点，通过空三区域网平差解算得到加密像控点的地面坐标。较常用的控制点布设方案有区域网法和航带法，实际工作中应综合考虑测区地形地貌、地面分辨率和成果精度等，选取最优布设方案。

3 无人机低空摄影测量的数据处理

无人机低空摄影测量通常采用光束法平差，每张影像都是由一束光线构成，将每张相片的光束作为基本单元，利用共线方程进行平差。摄影测量来自测量的交会，利用影像进行测量。更确切地说，它是利用每个象限的像点摄影光线进行交会，获得对应的物方空间坐标。基于一个简单的事实：三维空间点A（X，Y，Z），摄影中心S（Xs，Ys，Zs）对应像点a（x，y），三点位于一条直线上。从数学的意义上而言，三点共线可用共线方程描述，这是摄影测量的基本出发点。每一个光束在空中的平移、旋转使公共点的光线实现最佳交会，使整个区域都在已知的地面坐标系中，建立统一的区域误差方程，由此可以得出区域内所有未知点的地面坐标和每张像片的六个外方位元素。

经过一系列纠正和处理的影像成果，利用航测数字化成图系统进行立体量测，通过矢量化软件勾绘出各种地物及地形地貌，经图幅整饰质量检查等，生产出符合要求的地形图产品，矢量化是人为干预最多的环节，生产人员的技术水平很大程度上影响着地形图的成图精度，因此，对工作人员的素质与经验都有比较严格的要求。

4 无人机低空摄影测量发展与展望

无人机摄影测量是一门相对年轻的学科，由于它利用摄影设备和计算机代替人眼，使得其无论在理论上还是实践上都将得到迅速发展，而且它正与新的传感器和其他测量仪器（如GPS，全站仪，激光扫描仪）等结合起来，给大比例尺地形图测绘带来极大便利，也使得成图精度和工作效率得到大幅提升。无人机摄影测量系统制作大比例尺地形图的平面精度已经比较容易满足，而高程精度却仍旧难以提高，未来将进一步寻求提升高程精度的技术与方法。

参考文献：

[1]宁津生等  测绘学概论  武汉大学出版社，2004

[2]胡科林     基于轻巧无人機的低空摄影测量方法研究 硕士论文

[3]王洛菲     无人机低空摄影测量在城市测绘保障中的应用前景

[4]低空数字航空摄影规范  CH/Z3005-2010 人民共和国行业标准.